基于PLC的鹽酸再生自動化控制系統(tǒng)

研究 PLC 的鹽酸再生自動化控制系統(tǒng)。通過自控系統(tǒng)擬預(yù)期能夠?qū)⒎稚⒂诂F(xiàn)場的智能檢測單元、過程控制單元、圖文操作站和上位機有機結(jié)合，協(xié)調(diào)控制，具有動態(tài)性好、跟隨性強、調(diào)節(jié)穩(wěn)定、友好對話等特點，滿足生產(chǎn)工藝要求，自動化程度高，操作維護方便，具有良好的控制功能、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)性能，實際生產(chǎn)運行自動化。

1 引言

目前碳鋼冷軋生產(chǎn)工藝中消除鋼材表面氧化皮可采用酸洗工序，鋼材經(jīng)鹽酸洗后產(chǎn)生大量的酸洗廢液，其中除含有相當(dāng)數(shù)量的殘酸，還富含亞鐵鹽及少量不溶于酸的硅鋁質(zhì)，若直接排放至自然環(huán)境，不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且浪費寶貴資源。鋼鐵企業(yè)通常對廢鹽酸液進行再生處理以循環(huán)利用[1,2]。鹽酸再生是一個把廢酸經(jīng)過焙燒爐的加熱分離，使廢酸液能重新利用并生產(chǎn)出高質(zhì)量的氧化鐵粉和再生酸的工藝過程，此生產(chǎn)工藝能變廢為寶，有效治理廢水、廢酸液，減少環(huán)境污染，節(jié)約及合理利用資源，是當(dāng)今一項新興的環(huán)保生產(chǎn)項目。鹽酸再生工藝整個生產(chǎn)流程要求連續(xù)、緊湊、控制范圍廣，每一步工藝生產(chǎn)均由自動化系統(tǒng)進行處理，以實現(xiàn)整個工藝過程的自動化控制，對自動控制水平要求高。另因焙燒爐的高溫環(huán)境和鹽酸對現(xiàn)場設(shè)備的腐蝕性，系統(tǒng)對現(xiàn)場安全聯(lián)鎖和自動控制設(shè)備的可靠性要求更高。

2 鹽酸再生自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

（1）工藝分析。鹽酸再生站采用噴霧焙燒工藝，廢酸在焙燒爐內(nèi)噴成霧狀，在 550-650 ℃ 的高溫環(huán)境下，氯化亞鐵分解為氯化氫氣體和氧化鐵粉，氯化氫氣體經(jīng)噴水吸收形成再生酸回收用于酸洗機組，氧化鐵粉回收利用，主要用于涂料及磁性材料工業(yè)、粉末冶金業(yè)作為原料使用。由于焙燒爐的高溫環(huán)境和鹽酸對現(xiàn)場設(shè)備的腐蝕性，鹽酸再生工藝對安全聯(lián)鎖和自動控制設(shè)備的可靠性要求極高。

（2）設(shè)計思路。針對鹽酸再生工藝的特點，設(shè)計了以邏輯處理功能強大的西門子 S7-400 系列 PLC 為核心的自動化控制系統(tǒng)，現(xiàn)場控制設(shè)備均采用耐酸、防腐蝕產(chǎn)品?？傮w設(shè)計思路如圖 1 所示。

（3）系統(tǒng)構(gòu)成。鹽酸再生自動化控制系統(tǒng)是一個全自動 PLC 系統(tǒng)，用于監(jiān)視和控制整個工藝過程，其系統(tǒng)配置如圖 2 所示。

PLC 系統(tǒng)處理所有從現(xiàn)場壓力開關(guān)、液位開關(guān)、限位開關(guān)以及按鈕等采集到的數(shù)字信號，并接收來自壓力、流量和液位變送器以及熱電偶的模擬信號。系統(tǒng)通過繼電器邏輯和 PID 控制邏輯給出各種輸入來執(zhí)行電機的回路或使電磁閥和控制閥動作，從而實現(xiàn)各種操作。整個系統(tǒng)包括儀表系統(tǒng)的模擬量和數(shù)字量的控制、PID 控制、聯(lián)鎖控制及過程控制[3,4]。

儀表系統(tǒng)的模擬量和數(shù)字量控制模擬量和數(shù)字量控制包括對過程容器液位、過程流量、過程壓力、過程溫度的控制。儀表的數(shù)字量控制包括電磁閥、燒嘴控制、噴射量控制、馬達(dá)和設(shè)備準(zhǔn)許、安全連鎖等控制。數(shù)據(jù)由現(xiàn)場傳到 PLC 后，在操作人員的監(jiān)視下，控制通過 PLC 控制環(huán)路自動調(diào)節(jié)。

PID 控制 PID 控制環(huán)路既可以單獨控制，也可以實現(xiàn)串級控制，所有 PID 控制環(huán)路既可手動也可自動方式運行。當(dāng)在手動方式時，操作人員通過選擇適合這個環(huán)路的控制閥的打開來控制輸出。當(dāng)在自動方式時，PID 控制器比較操作員給定的設(shè)定值和測量的過程變量，并調(diào)節(jié)輸出直至兩者相匹配。它包括控制容器液位的 PID 控制回路、控制噴射流量的 PID 控制回路、控制焙燒爐壓力的 PID 控制回路。

聯(lián)鎖控制包括培燒焙燒爐壓力和溫度的聯(lián)鎖、泵的聯(lián)鎖、燃燒系統(tǒng)的聯(lián)鎖和主風(fēng)機的聯(lián)鎖等一系列聯(lián)鎖控制，各聯(lián)鎖之間相互制約相互影響，保證整個系統(tǒng)的順利生產(chǎn)。

3 基于 PLC 的鹽酸再生自動化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

（1）基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)實現(xiàn)。基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)由人機接口（HMI）、可編程序控制器（PLC）和遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)組成。HMI 采用安全可靠的工控機，大屏幕液晶高亮顯示器，系統(tǒng)軟件采用 Windows XP，畫面軟件使用西門子 WinCC 工控軟件。PLC 采用西門子 S7-400 系列，ET200M 遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用 24 V DC 的數(shù)字信號，0～10 V DC 或 4～20 mA 的模擬信號，編程語言是 STEP7，可從結(jié)構(gòu)上組成順序控制、間隙控制、時間控制，所有自動控制功能都可利用西門子標(biāo)準(zhǔn)軟件來完成。通過 PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)連接至主機架的 CPU 模塊，編程軟件采用西門子 STEP7。PLC 與 HMI 之間，通過工業(yè)以太網(wǎng)進行實時數(shù)據(jù)的通信。

（2）電氣傳動設(shè)備實現(xiàn)。低壓配電柜和馬達(dá)控制中心（MCC）分別采用固定分隔式開關(guān)柜和低壓抽屜式開關(guān)柜，MCC 柜的工作狀態(tài)可在鹽酸再生站的 PLC 中進行監(jiān)控。所有機旁操作箱的操作信號均接入 PLC，直接通過 PLC 輸出至電氣設(shè)備完成操作。廢氣風(fēng)機、焙燒爐供給泵、吸收塔循環(huán)泵及爐底旋轉(zhuǎn)閥采用變頻器調(diào)速傳動。

基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的 PLC 和 HMI、傳動控制器和視頻顯示系統(tǒng)、通信系統(tǒng)采用不間斷電源 UPS 供電。鹽酸再生機組各層平臺均設(shè)緊急停車按鈕。

（3）過程檢測及控制系統(tǒng)實現(xiàn)。根據(jù)鹽酸再生工藝的特點，現(xiàn)場檢測和控制儀表盡量選擇非接觸式測量方式，并具備防腐能力的智能儀表。

過程控制系統(tǒng)使用過程控制服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫 SQLServer。數(shù)據(jù)記錄并存儲在計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，以多種圖表形式顯示，如棒圖表，還有事件報警，歷史記錄圖等。所有的工廠信息自動實時收集并存儲在服務(wù)器動態(tài)存儲器中。同時，通過網(wǎng)絡(luò)將給定值發(fā)送到 PLC，控制相應(yīng)設(shè)備。工程師和現(xiàn)場操作人員均通過訪問計算機的服務(wù)器，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，對現(xiàn)場設(shè)備實時控制。

（4）效果分析。焙燒爐是鹽酸再生機組的一個關(guān)鍵性設(shè)備，包括焙燒爐自動控制系統(tǒng)中的目標(biāo)參數(shù)控制，如廢酸濃度、噴灑量及壓力、反應(yīng)溫度、爐內(nèi)負(fù)壓、空燃比、爐內(nèi)含氧量等。焙燒爐燃燒系統(tǒng)工藝流程包括：助燃風(fēng)機、1# 燒嘴、2# 燒嘴、3# 燒嘴，煤氣總管快速切斷閥，煤氣支管和空氣支管調(diào)節(jié)閥（圖 3）。

4 結(jié)語

基于 PLC 的鹽酸再生工藝自動控制系統(tǒng)，不同于一般意義上的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，是在實現(xiàn)酸洗廢液再生裝置自主集成及創(chuàng)新基礎(chǔ)上的、適應(yīng)于鹽酸再生工藝的、以邏輯處理功能強大的 PLC 集中控制為核心的自動控制系統(tǒng)，現(xiàn)場檢測和控制儀表均為具備防腐能力的智能儀表。鹽酸再生機組的自動化系統(tǒng)設(shè)計使操作簡化。同時，可確保操作安全，聯(lián)鎖系統(tǒng)可以保證在設(shè)備失效或出現(xiàn)緊急事故時，整個裝置自動停止工作。自動化控制水平擬接近國外先進水平。